Liquides de spin quantiques —


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  • En 1973, le physicien Philip W. Anderson a théorisé l’existence d’un nouvel état de la matière qui a été un sujet majeur du domaine, en particulier dans la course aux ordinateurs quantiques.

    Cet état étrange de la matière est appelé liquide de spin quantique et, contrairement à son nom, n’a rien à voir avec les liquides de tous les jours comme l’eau. Au lieu de cela, il s’agit d’aimants qui ne gèlent jamais et de la façon dont les électrons qu’ils contiennent tournent. Dans les aimants ordinaires, lorsque la température descend en dessous d’une certaine température, les électrons se stabilisent et forment un morceau de matière solide aux propriétés magnétiques. Dans le liquide de spin quantique, les électrons ne se stabilisent pas lorsqu’ils sont refroidis, ne forment pas un solide et changent et fluctuent constamment (comme un liquide) dans l’un des états quantiques les plus intriqués jamais conçus.

    Les différentes propriétés des liquides de spin quantique ont des applications prometteuses qui peuvent être utilisées pour faire progresser les technologies quantiques telles que les supraconducteurs à haute température et les ordinateurs quantiques. Mais le problème de cet état de la matière a été son existence même. Personne ne l’avait jamais vu – du moins, c’était le cas depuis près de 50 ans.

    Aujourd’hui, une équipe de physiciens dirigée par Harvard a déclaré avoir enfin documenté expérimentalement cet état exotique de la matière longtemps recherché. Le travail est décrit dans une nouvelle étude dans la revue Science et marque un grand pas vers la possibilité de produire cet état insaisissable à la demande et d’acquérir une nouvelle compréhension de sa nature mystérieuse.

    “C’est un moment très spécial sur le terrain”, a déclaré Mikhail Lukin, professeur de physique George Vasmer Leverett, co-directeur de la Harvard Quantum Initiative (HQI), et l’un des auteurs principaux de l’étude. “Vous pouvez vraiment toucher, pousser et pousser cet état exotique et le manipuler pour comprendre ses propriétés. … C’est un nouvel état de la matière que les gens n’ont jamais pu observer.”

    Les enseignements de cette recherche scientifique pourraient un jour permettre des avancées pour la conception de meilleurs matériaux et technologies quantiques. Plus précisément, les propriétés exotiques des liquides de spin quantique pourraient détenir la clé pour créer des bits quantiques plus robustes – appelés qubits topologiques – qui devraient être résistants au bruit et aux interférences externes.

    “C’est un rêve dans le calcul quantique”, a déclaré Giulia Semeghini, boursière postdoctorale au Harvard-Max Planck Quantum Optics Center et auteur principal de l’étude. “Apprendre à créer et à utiliser de tels qubits topologiques représenterait une étape majeure vers la réalisation d’ordinateurs quantiques fiables.”

    L’équipe de recherche a entrepris d’observer cet état de la matière semblable à un liquide à l’aide du simulateur quantique programmable développé à l’origine par le laboratoire en 2017. Le simulateur est un type spécial d’ordinateur quantique qui permet aux chercheurs de créer des formes programmables comme des carrés, des nids d’abeilles ou des triangles. des réseaux pour concevoir différentes interactions et enchevêtrements entre atomes ultrafroids. Il est utilisé pour étudier une multitude de processus quantiques complexes.

    L’idée d’utiliser le simulateur quantique est de pouvoir reproduire la même physique microscopique que l’on retrouve dans les systèmes de matière condensée, notamment avec la liberté que permet la programmabilité du système.

    « Vous pouvez écarter les atomes autant que vous le souhaitez, vous pouvez modifier la fréquence de la lumière laser, vous pouvez vraiment modifier les paramètres de la nature d’une manière que vous ne pourriez pas dans le matériau où ces choses sont étudiées plus tôt. » a déclaré le co-auteur de l’étude Subir Sachdev, le professeur Herchel Smith de physique et l’actuel professeur invité distingué Maureen et John Hendricks à l’Institute for Advanced Study. “Ici, vous pouvez regarder chaque atome et voir ce qu’il fait.”

    Dans les aimants conventionnels, les spins des électrons pointent vers le haut ou vers le bas selon un motif régulier. Dans l’aimant de réfrigérateur de tous les jours, par exemple, les rotations pointent toutes dans la même direction. Cela se produit parce que les rotations fonctionnent généralement selon un modèle de case à cocher et peuvent s’apparier de sorte qu’elles puissent pointer dans la même direction ou en alternance, en gardant un certain ordre.

    Les liquides de spin quantique n’affichent rien de cet ordre magnétique. Cela se produit parce que, essentiellement, une troisième rotation est ajoutée, transformant le motif de la case à cocher en un motif triangulaire. Alors qu’une paire peut toujours se stabiliser dans un sens ou dans un autre, dans un triangle, le troisième spin sera toujours l’électron impair sortant. Cela crée un aimant “frustré” où les spins des électrons ne peuvent pas se stabiliser dans une seule direction.

    “Essentiellement, ils sont dans des configurations différentes en même temps avec une certaine probabilité”, a déclaré Semeghini. “C’est la base de la superposition quantique.”

    Les scientifiques de Harvard ont utilisé le simulateur pour créer leur propre motif de réseau frustré, y plaçant les atomes pour interagir et s’entremêler. Les chercheurs ont ensuite pu mesurer et analyser les cordes qui reliaient les atomes après l’enchevêtrement de toute la structure. La présence et l’analyse de ces cordes, appelées cordes topologiques, signifiaient que des corrélations quantiques se produisaient et que l’état liquide de spin quantique de la matière avait émergé.

    Le travail s’appuie sur les prédictions théoriques antérieures de Sachdev et de son étudiant diplômé, Rhine Samajdar, et sur une proposition spécifique d’Ashvin Vishwanah, professeur de physique à Harvard, et de Ruben Verresen, boursier postdoctoral HQI. L’expérience a été réalisée en collaboration avec le laboratoire de Markus Griener, codirecteur du Centre de recherche Max Planck-Harvard pour l’optique quantique et professeur de physique George Vasmer Leverett, et des scientifiques de l’Université d’Innsbruck et de QuEra Computing à Boston.

    “Le va-et-vient entre la théorie et l’expérimentation est extrêmement stimulant”, a déclaré Verresen. “Ce fut un moment magnifique lorsque l’instantané des atomes a été pris et que la configuration de dimère anticipée nous a regardés en face. Il est sûr de dire que nous ne nous attendions pas à ce que notre proposition soit réalisée en quelques mois.”

    Après avoir confirmé la présence de liquides de spin quantiques, les chercheurs se sont tournés vers l’application possible de cet état de la matière à la création de qubits robustes. Ils ont effectué un test de validation de principe qui a montré qu’il serait peut-être un jour possible de créer ces bits quantiques en plaçant les liquides de spin quantiques dans un réseau géométrique spécial à l’aide du simulateur.

    Les chercheurs prévoient d’utiliser le simulateur quantique programmable pour continuer à étudier les liquides de spin quantique et comment ils peuvent être utilisés pour créer les qubits les plus robustes. Les qubits, après tout, sont les éléments constitutifs fondamentaux sur lesquels fonctionnent les ordinateurs quantiques et la source de leur énorme puissance de traitement.

    “Nous montrons les toutes premières étapes de la création de ce qubit topologique, mais nous devons encore démontrer comment vous pouvez réellement l’encoder et le manipuler”, a déclaré Semeghini. “Il y a maintenant beaucoup plus à explorer.”

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